Конкурс учебно-исследовательских проектов школьников «Эврика, ЮНИОР»
Малой академии наук учащихся Кубани.
Секция: политехническая
Тема: Электродвигатели постоянного тока.
Автор работы: Брыляков Артём Витальевич,
ученик 11 "Б" МБОУ СОШ№5
Научный руководитель: Козина Ирина Юрьевна,
учитель физики МБОУ СОШ №5
Российская Федерация, Краснодарский край,
город-курорт Анапа 2013 г.
Цель: исследовать причины преждевременного выхода из строя электродвигателя постоянного тока лабораторного школьного и автомобильного стартера.
Гипотеза: Поскольку у школьного электродвигателя и автомобильного стартера не было выявлено заводского брака, то причиной выхода из строя послужила их неправильная эксплуатация (возможно, передержание ключа в замке зажигания).
Задачи:
1.Изучить физические законы, на которых основан принцип работы электродвигателей постоянного тока;
2. Изучить научную литературу и выяснить возможные причины неисправности этих деталей;
3. Разобрать механизмы и найти вышедшие из строя детали;
4. Проанализировать возможные причины неисправности с целью подтверждения гипотезы;
5. Установить, какие действия водителя могли стать причиной поломки;
6. Разработать рекомендации для начинающих водителей по продлению срока эксплуатации стартера.
Актуальность исследования: Электродвигатель постоянного тока (стартер) является одним из основных составляющих частей современного автомобиля, он при неправильной эксплуатации быстро выходит из строя. Поэтому в данной работе, мы, имея сломанный стартер, решили установить причину поломки, по - возможности отремонтировать его и разработать для начинающих водителей правила, позволяющие значительно продлить его срок эксплуатации.
• Описательный метод
• Технический эксперимент
• Анализ и синтез
• Метод анкетирования
Введение
Современная жизнь становится все более динамичной и остро стоит проблема нехватки времени для решения возникающих перед человеком задач. Поэтому все большее количество людей становятся автовладельцами. Но сегодня в автошколе обучают только ПДД, поэтому начинающие водители практически не представляют, что их неумелые действия могут привести к серьезным поломкам и дорогостоящему ремонту.
Мы понимаем: для того, чтобы разбираться в устройстве автомобиля, его владельцу требуются прочные знания школьного курса физики. Однако автовладелец должен хотя бы представлять себе, что происходит, когда он поворачивает ключ в замке зажигания. Чтобы разобраться в вопросе технической осведомленности современных водителей, их предпочтений и готовности познавать своего «железного друга» нами была разработана анкета, состоящая из простых вопросов:
1. Можете ли вы объяснить принцип действия таких основных агрегатов автомобиля, как двигатель, стартер или коробка передач?
2. Будете ли вы в дальнейшем изучать устройство автомобиля?
3. Вы бы хотели иметь при себе свод простых правил эксплуатации, которые позволили бы вам продлить срок службы основных деталей автомобиля?
Как правило, когда автовладелец сталкивается с поломкой какой- либо детали, на СТО предлагают заменить вышедшую из строя деталь на новую, ведь для владельцев СТО так быстрее и экономически более выгодно. Мы решили разобраться, есть ли смысл разбирать и ремонтировать деталь, которую автомеханики считают «отработанной».
В данной работе мы поставили цель: исследовать причины преждевременного выхода из строя электродвигателя постоянного тока лабораторного школьного и автомобильного стартера, поскольку на сегодняшний день альтернативы электродвигателям не придумали. Кроме того, в связи с проблемой невозобновляемости природных ресурсов и загрязнения окружающей среды, все чаще говорят о необходимости перехода на экологичные машины.
Для большинства экологичных машин, таких как серийные электромобили, гибриды и автомобили на топливных элементах, главная движущая сила — это электрический двигатель. Коэффициент полезного действия современного тягового электродвигателя может составлять 85-95 %. Для сравнения, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания без вспомогательных систем едва ли дотягивает до 45 %.
Глава I Электродвигатели постоянного тока
1.1 Историческая справка
Рассмотрим предисторию появления современных электродвигателей. Всё началось в 1820 г., когда Эрстед открыл, что вокруг проводника с током существует вихревое магнитное поле. Многие сразу догадались, что такое поле должно вращать магнит вокруг проводника . Фарадей оказался первым, кто прямым экспериментом подтвердил справедливость этой идеи.
Экспериментальная установка Фарадея в разрезе изображена на рис. 1(Приложение 1). Она состоит из двух стоящих рядом сосудов, наполненных ртутью. В левом сосуде 1 плавает магнит 2, за нижний конец привязанный ко дну сосуда. В ртуть этого сосуда погружён конец металлической проволоки 3, неподвижно закреплённой по оси сосуда в металлическом держателе 4. На втором конце указанного держателя имеется крючок, на котором свободно висит проволока 5, своим концом погружённая в ртуть правого сосуда 6. По оси этого сосуда в металлической трубке нижним концом закреплён магнит 7. Когда через ртуть в сосудах и металлический держатель пропускается электрический ток, магнит в первом сосуде и проволока во втором начинают вращаться вокруг осей сосудов.
Явление объясняется действием силы Ампера на проводник с током, находящийся в магнитном поле. Направление вращения легко определить по правилу левой руки.
Так в 1821 г. был создан первый электродвигатель, который получил название униполярного, поскольку для его работы необходим только один полюс магнита. Впоследствии было разработано немало учебных приборов, предназначенных для демонстрации принципа действия униполярного электродвигателя [2]. На рис. 2(Приложение 2) изображён прибор, в котором вокруг постоянного магнита 1 вращается проволочная рамка 2.Середина рамки соединена с остриём, которое погружено в чашечку со ртутью 3, концы рамки опущены в кольцевой сосуд со ртутью 4.
Аналогичный прибор представлен на рис. 3 (Приложение 3), но в нём вместо постоянного магнита, расположенного внутри вращающейся рамки, использована катушка с током 1, лежащая возле кольцевого сосуда 2 со ртутью вне рамки 3, вращающейся вокруг стойки с ртутным контактом 4.
Середина прошлого столетия ознаменовалась особенно крупными сдвигами в науке и технике. Происходит научно-техническая революция, и буквально на протяжении одного поколения стало обыденным и привычным то, что еще в начале прошлого века казалось мечтой, плодом безудержной фантазии. Цветное телевидение и голография, ракетная техника и космические корабли, высадка людей на Луне и луноходы, синтетические материалы и атомная энергия, лазеры и превращения вещества, электронные вычислительные машины и роботы, пересадка внутренних органов человека и победа над тяжелыми болезнями - о таких чудесах можно было прочесть разве только в фантастических романах. Но это лишь часть реальных научно-технических достижений человека.
Экспериментальная установка Фарадея в разрезе изображена на рис. 1(Приложение 1). Она состоит из двух стоящих рядом сосудов, наполненных ртутью. В левом сосуде 1 плавает магнит 2, за нижний конец привязанный ко дну сосуда. В ртуть этого сосуда погружён конец металлической проволоки 3, неподвижно закреплённой по оси сосуда в металлическом держателе 4. На втором конце указанного держателя имеется крючок, на котором свободно висит проволока 5, своим концом погружённая в ртуть правого сосуда 6. По оси этого сосуда в металлической трубке нижним концом закреплён магнит 7. Когда через ртуть в сосудах и металлический держатель пропускается электрический ток, магнит в первом сосуде и проволока во втором начинают вращаться вокруг осей сосудов.
Явление объясняется действием силы Ампера на проводник с током, находящийся в магнитном поле. Направление вращения легко определить по правилу левой руки.
Так в 1821 г. был создан первый электродвигатель, который получил название униполярного, поскольку для его работы необходим только один полюс магнита. Впоследствии было разработано немало учебных приборов, предназначенных для демонстрации принципа действия униполярного электродвигателя [2]. На рис. 2(Приложение 2) изображён прибор, в котором вокруг постоянного магнита 1 вращается проволочная рамка 2.Середина рамки соединена с остриём, которое погружено в чашечку со ртутью 3, концы рамки опущены в кольцевой сосуд со ртутью 4.
Аналогичный прибор представлен на рис. 3 (Приложение 3), но в нём вместо постоянного магнита, расположенного внутри вращающейся рамки, использована катушка с током 1, лежащая возле кольцевого сосуда 2 со ртутью вне рамки 3, вращающейся вокруг стойки с ртутным контактом 4.
Середина прошлого столетия ознаменовалась особенно крупными сдвигами в науке и технике. Происходит научно-техническая революция, и буквально на протяжении одного поколения стало обыденным и привычным то, что еще в начале прошлого века казалось мечтой, плодом безудержной фантазии. Цветное телевидение и голография, ракетная техника и космические корабли, высадка людей на Луне и луноходы, синтетические материалы и атомная энергия, лазеры и превращения вещества, электронные вычислительные машины и роботы, пересадка внутренних органов человека и победа над тяжелыми болезнями - о таких чудесах можно было прочесть разве только в фантастических романах. Но это лишь часть реальных научно-технических достижений человека.
Эти достижения мы видим, ими пользуемся, они облегчают нам жизнь и деятельность. В то же время, чем больше успехи науки и техники, тем больше появляется идей и предложений о дальнейшем их развитии, возможностей осуществления этих идей. А это зависит от знаний, инициативы, творческих начал.
1.2 Общая характеристика электродвигателей постоянного тока различных типов
Мы хотели бы рассмотреть одно из таких достижений человечество – электродвигатель. Существуют электродвигатели постоянного и переменного тока. Внешний вид одного из современных двигателей постоянного тока показан на рисунке.
Первыми электродвигателями были двигатели постоянного тока, так как первыми были изобретены источники постоянного тока - гальванические элементы и батареи. В 1838 г. русский ученый Б.С. Якоби построил первый пригодный для практических целей электродвигатель постоянного тока, который использовался для привода гребного вала лодки. К 70-м гг. XIX в. электродвигатель был уже настолько усовершенствован, что практически в таком виде сохранился и до наших дней. Двигатели постоянного тока нашли особенно широкое применение на транспорте: электровозы, трамваи, троллейбусы, большегрузные автомобили.
Электрические двигатели обладают рядом преимуществ. При одинаковой мощности они имеют меньшие размеры, чем тепловые двигатели. При работе они не выделяют газов, дыма и пара и, следовательно, не загрязняют воздух, им не нужен запас топлива и воды. Электродвигатели можно установить в удобном месте: на станке, под полом трамвая, на тележке электровоза. Важнейшая особенность электродвигателей постоянного тока - возможность легко регулировать в широких пределах частоту вращения ротора, изменяя силу тока в его обмотках. Микроэлектродвигатели постоянного тока широко применяются в системах автоматического регулирования, в электробритвах, кофемолках, любительских кинопроекционных аппаратах и других приборах бытового назначения. Мощные электродвигатели используются главным образом для привода прокатных станов, подъемных кранов, а также в качестве двигателей на электрифицированном транспорте. Коэффициент полезного действия мощных электрических двигателей достигает 98%. Такого высокого КПД не имеет никакой другой двигатель. Есть специальные безыскровые электродвигатели, которые применяют в насосах для выкачивания нефти из скважин, чтобы нефть не воспламенилась.
Электродвигатель состоит из двух основных частей: статора и ротора. Статор - неподвижная часть, служит магнитопроводом, внутри него создается магнитное поле. Ротор - вращающаяся (подвижная) часть, несет на себе витки провода, по которому протекает электрический ток. Принцип работы электрического двигателя постоянного тока в следующем: если к обмотке электромагнита подвести электрический ток, то между его полюсами возникает магнитное поле. При этом виток провода, размещенный на роторе, к которому ток подводится через коллектор с помощью угольных пластин, начинает вращаться, увлекая за собой ротор, что и является причиной запуска двигателя автомобиля.
Двигатели, работающие от источника постоянного тока, называются двигателями постоянного тока. Вначале в электродвигателе использовались постоянные магниты; затем стали применяться электромагниты, что было существенным шагом вперед, так как сразу увеличилась мощность электродвигателей.
Стартер автомобиля предназначен всего лишь для запуска двигателя внутреннего сгорания путем раскручивания коленчатого вала до пусковой частоты. Двигатель внутреннего сгорания обладает низким КПД, продукты сгорания загрязняют окружающую среду, к тому же запасы полезных ископаемых не безграничны. По этой причине в настоящее время ведутся работы по замене в автомобилях двигателей внутреннего сгорания электродвигателями. Конечно, совсем отказаться от ДВС, на наш взгляд, вряд ли получится, но за электродвигателями, очевидно, будущее, поэтому мы и уделили свое внимание этому прибору.
По мнению инженеров Bosch, через 20 лет электромоторы вытеснят традиционные ДВС.
Устройство и работа стартеров выпускаемых до 2000 года одинаковое. Основной частью стартера является электромотор на валу, которого располагается шестерня, которая входит в зацепление с венцом маховика при включении стартера. Одновременное включение электродвигателя и ввод шестерни в зацепление с маховиком осуществляет втягивающее реле.
Величина крутящего момента на коленчатом валу двигателя и минимальная частота его вращения, необходимые для пуска двигателя, зависят от типа двигателя, его рабочего объема, числа цилиндров, степени сжатия, потерь на трение, дополнительных нагрузок, создаваемых при работе двигателя, системы управления подачей топлива, сорта используемого масла и температуры двигателя. Потребные значения крутящего момента и частоты вращения для пуска двигателя возрастают при снижении температуры, что ведет к необходимости повышения мощности стартера. Минимальная температура, при которой обеспечивается пуск двигателя, является основным фактором, определяющим потребную мощность при пуске.
Шестерня на валу электродвигателя стартера сначала начинает взаимодействовать с зубчатым венцом маховика двигателя (Приложение 4). После пуска двигателя частота вращения шестерни стартера становится выше частоты вращения вала электродвигателя стартера, что может привести к выходу стартера из строя из-за возникающего центробежного усилия. Для предотвращения этого нежелательного явления между шестерней стартера и его якорем устанавливается обгонная муфта, которая отключает стартер от двигателя, как только частота вращения коленчатого вала начинает превышать частоту вращения вала стартера.
Электродвигатель стартера
В большинстве случаев в стартере применяется электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением, характеризуемый высокой частотой вращения без нагрузки, что поддерживает необходимую частоту вращения коленчатого вала двигателя во время его пуска. Прогресс, достигнутый в сфере технологии производства ферритов, позволяет использовать в стартерах электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, стойких к размагничиванию. Стартеры с якорями, вращающимися с более высокими скоростями, но развивающими меньший крутящий момент, имеют меньшие размер и массу. Для них становится возможным увеличение передаточного отношения между двигателем и якорем стартера. Диаметр зубчатого венца маховика не может быть увеличен и поэтому увеличение этого передаточного отношения осуществляется путем использования дополнительной передаточной ступени (стартеры с шестеренчатым редуктором).
Глава II Техническая дефектация электродвигателей постоянного тока
2.1 Неисправность школьного лабораторного электродвигателя
В кабинете физики нас заинтересовала модель неработающего электродвигателя. При включении его в электрическую цепь ток по рамке проходил, поскольку цепь не была разомкнута.
Простейший школьный электродвигатель работает только на постоянном токе , например, от батарейки или источника постоянного тока. Ток проходит по рамке, расположенной между полюсами постоянного магнита. Взаимодействие магнитных полей рамки с током и магнита заставляет рамку поворачиваться. После каждого полуоборота коллектор переключает контакты рамки, подходящие к батарейке, и поэтому рамка вращается. Мы решили разобраться в причине выхода из строя этого простейшего прибора. При ближайшем рассмотрении мы обнаружили, что щетки неплотно прилегали к рамке. (приложение)
Скорее всего, прибор вышел из строя в связи с длительным сроком эксплуатации. По документам этот прибор уже должен быть списан.
2.2 Анализ причин поломки стартера и возможности его ремонта
Разобравшись в причине выхода из строя школьного электродвигателя, мы задались вопросом: что послужило причиной поломки автомобильного стартера, ведь он отслужил 4 года, а срок его эксплуатации порядка 7-10 лет при правильной эксплуатации.
На СТО автомеханики утверждали, что причиной поломки является износ щеток, а это в свою очередь произошло, якобы из-за передерживания ключа в замке зажигания. Мы разобрали стартер и обнаружили, что весь механизм заполнен грязью. Видимо, осевшая со временем пыль, заполнила промежутки между шестеренками и мешала им проворачиваться, что привело к нерабочему состоянию стартера. Мы почистили агрегат, и убедились, что он работает. Все элементы стартера не имели большого износа, поэтому не могли быть причиной поломки. Это означает, что автомеханик на СТО ошибся и износ щеток не является причиной поломки. Таким образом, достаточно было почистить прибор, и он бы еще какое-то время подлежал эксплуатации. (Приложение 6)
Разбирая стартер, мы были уверены в правильности нашей гипотезы, но мы также увидели и истирание маховика, что как раз и подтверждает нашу гипотезу, поскольку через какое-то время стартер вышел бы из строя как раз по этой причине.
Мы приходим к выводу, что автомеханикам гораздо проще и экономически выгоднее при поломке такого прибора заменять его целиком, а не разбираться в причинах поломки.
Глава III Рекомендации для автолюбителя по продлению срока эксплуатации стартера для двигателя внутреннего сгорания
Беседуя с опытными автомеханиками, мы убеждаемся в том, что стартер -достаточно «коварный» прибор и найти причину его неисправности не так-то просто.
Однако, неопытные водители совершают ряд ошибок при эксплуатации автомобиля. При передерживании ключа в замке зажигания, в стартере происходит износ маховика, что влечет к неисправности электромотора.
Совет: научиться чувствовать, когда машина завелась. После поворота ключа зажигания, звук работы мотора должен изменится. Именно в этот момент стартер начинает изнашиваться.
А также стоит раз в пару лет проводить капитальную чистку некоторых агрегатов, в частности стартера.
При полном износе маховика, когда машина уже не заводится, мы едем на СТО, там нам предлагают:
1) Почистить неисправную деталь
2) Заменить расходный материал в детали
3) Заменить неисправную деталь новой
Для начинающих желательно первое время, даже после прохождения курса автовождения, ездить с более опытным водителем.
В результате нашего исследования мы пришли к выводу, что знание простых правил эксплуатации электродвигателей постоянного тока и других агрегатов позволит автовладельцам значительно повысить срок их эксплуатации и избежать ненужных затрат. Поэтому мы провели анкетирование в автошколе при ДОСААФ и получили следующие результаты (Приложение 9 )
1.На первый вопрос анкеты респонденты ответили так (Приложение10)
2. На второй вопрос анкеты Респонденты ответили так(Приложение11)
3.На третий вопрос анкеты Респонденты ответили так (Приложение12)
Заключение
В данной работе мы исследовали причины преждевременного выхода из строя лабораторного школьного электродвигателя постоянного тока и автомобильного стартера, и пришли к выводу, что наша гипотеза подтверждается. Причиной поломки стартера действительно послужила его неправильная эксплуатация. Но первоначальна гипотеза была скорректирована, поскольку прибор сломался по причине набивания внутрь грязи. Хотя мы обнаружили и истирание маховика, причиной которого является передерживание ключа в замке зажигания(Приложение 7).
Результаты опроса заставили нас задуматься и прийти к выводу о том, что большинство экологических проблем нашей планеты происходят по вине человека, которому присуще «потребительское» отношение к природным ресурсам. Мотивацией бережного отношения к природе или, к примеру, автомобилю, является только материальная сторона. Некоторым проще выкинуть изношенную деталь, чем вникать в причины и последствия поломки. А ведь тот же стартер, будучи отправленным на свалку, является источником проникновения в почву вредных веществ. Ведь в нашей стране практически не решается проблема утилизации бытовых отходов. Но это уже темы для дальнейших, межпредметных исследований.
Список литературы
1. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1982, с. 188–190.
2. Хвольсон О.Д. Курс физики. Т. 4. Учение о магнитных и электрических явлениях. – Берлин: Госиздат,
2. Хвольсон О.Д. Курс физики. Т. 4. Учение о магнитных и электрических явлениях. – Берлин: Госиздат,
1923, с. 672–678.
3. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 2. Электричество. Оптика.
3. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 2. Электричество. Оптика.
Физика атома: Под ред. А.А.Покровского. – М.: Просвещение, 1972, с. 70–72.
4. http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/40498/doc/47908/
5. Виноградов Н. В., Виноградов Ю. Н. Как самому рассчитать и сделать электродвигатель Издание третье
переработанное и дополненное Москва Издательство «Энергия» 1974 г.